JP5705323B2 - 放熱特性が向上した高光力ｌｅｄ光源構造体 - Google Patents

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Description

本発明は、ＬＥＤ光源構造体に関し、特に、電気伝導性及び熱伝導性に優れた金属を加工して両電極ユニットを製作し、そのうちの１つの電極ユニットを用いてＬＥＤチップで発生する熱を電極ユニットを通じて直接排出することにより、放熱特性を向上させると共に光源の安定化及び電圧降下防止を行え、高光力で出力し得るようにする放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体に関する。
ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；発光ダイオード）は、順方向に電圧を印加する時に発光する半導体素子であって、ＬＥＤに電圧を印加すると、ＬＥＤのＰＮ接合面で電子が有するエネルギーが光エネルギーに変換して発光するようになる。
このようなＬＥＤは、半導体材料に応じて種々の色相の光を発光させることができ、入力電圧に対する応答時間が速くかつ構造が簡単であるため、低コストで大量に生産することができ、電球において使用されるフィラメントを使用しないため、小型に製作することができる。また、前記ＬＥＤは、振動に強くかつ故障率が低い、長寿命のものであるため、従来の電球や蛍光灯などの照明器具に代えて光源として広く使用されている。
このようなＬＥＤを用いた光源は、ダイオードの温度が適正な電子の活性温度を保つ時（概ね２５〜５５℃）に光出力と光効率が極大となる特性を持っている。ＬＥＤは、特性上、電磁誘導（電気）による電子の移動時に光子と熱が発生し、この時、両者は互いに反比例の相関関係を形成している。従って、ＬＥＤの内部で発生した熱をどの程度速く除去するかによって、光子の発生を増加させることができ、ダイオードの耐久性を維持することができる。
即ち、電気エネルギーにより電子移動が起こるが、このとき、発生した熱によって電子の活性度が増大し、電気抵抗が減少する。なお、適正な電子の活性に必要な量を超える熱は、電気エネルギーによる光子発生を減少させ、熱による過度な電子の活性度（電流量の増加）によって原子構造の結合力が低下してしまい、ダイオードが耐え得る電子の移動度（電圧）の減少をもたらし、結局は、ＬＥＤの破壊及び火事の発生が生じることがあり得る。
このような発熱の問題は、多くの場合、照明として使用するためのＬＥＤ光源を製作する時に発生しており、ＬＥＤから発生した、電子活性に必要な量を超える過剰な熱を速やかに放出し得るように放熱板が求められている。
一般に、ＬＥＤ光源構造体は、金属体の放熱板と、この放熱板に設けられる絶縁体と、この絶縁体の上に設けられる銅箔回路層とから構成されるＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）上にＬＥＤチップやパッケージが搭載されてなる。このような従来のＬＥＤ光源構造体では、銅箔回路層を介して電流がＬＥＤチップの正（＋）電極に入力され、ＬＥＤチップを経て負（−）電極に出力されることで発光するようになる。
上述の構成を有する従来のＬＥＤ光源では、薄い銅箔回路層の限界から、直接的な大面積及び電気的回路の通電性を増大させることができないため、ＬＥＤチップと回路で発生する電流抵抗と、チップで光子が発生する時に同時に発生する熱を下部の絶縁体を通じて放熱板に伝達して放出するという間接的な放熱方法をとっているため、発生する熱に対して効率的な放熱ができず、高光力ＬＥＤ光源を実現するのに限界がある。
このような問題点から、最近は、放熱板の上に設けられた絶縁体をエッチングし、絶縁体上にＬＥＤを搭載することで、ＬＥＤチップで発生する熱を絶縁体を経ることなく直接放熱板に伝達されるようにして放熱効果を高くする方法が提案されている。しかし、この方法は、熱がＬＥＤチップやパッケージ自体に設けられた絶縁体とＬＥＤチップと放熱板とを連結する半田付け層を経て放熱板に伝達されているため、放熱効果が低下するという限界が依然として存在している。
本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、ＬＥＤ光源の駆動時に発生する熱を効率良く放熱することが可能な、放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体を提供することにある。
本発明の他の目的は、電気伝導性及び熱伝導性に優れた金属材からなるヒートシンクを直接ＬＥＤ光源の正電極として用い、ＬＥＤ光源で発生する熱をヒートシンクを通じて放出することで放熱特性を向上させることが可能な、放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、ＬＥＤ光源の駆動時、電圧降下と、発生した光の出力低下を防止することが可能な、放熱性能向上及び電圧降下防止を図るための放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、ＬＥＤ光源構造体を個別に使用し、又は、複数個のＬＥＤ光源構造体を容易に連結して必要に応じて光量を可変することが可能な、放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体を提供することにある。
上述の目的を達成するための本発明に係る放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体は、ＬＥＤチップを実装し、ＬＥＤチップの点灯によって発生する熱を外部へ放出し得るようにするＬＥＤ光源構造体であって、電気伝導性を有する材質からなる第１の電極ユニット１０と、電気伝導性及び熱伝導性を有する材質からなり、前記第１の電極ユニット１０と電気的に絶縁される第２の電極ユニット２０と、前記第１の電極ユニット１０と前記第２の電極ユニット２０を両電極として使用するように設けられるＬＥＤチップ４０と、を備え、前記第１の電極ユニット１０及び／又は第２の電極ユニット２０は、ＬＥＤチップ４０と面接触して、ＬＥＤチップ４０で発生する熱が直接伝導されて大気中に放出されることを特徴とする。
このとき、前記第１の電極ユニット１０の一端又は両端には、１つ以上の第１の電極連結部１１が設けられ、１つ以上の貫通孔１２が設けられ、前記貫通孔１２に隣接して第１の電極部１３が上面に構成され、少なくとも下面には、前記第１の電極連結部１１を除いた領域に絶縁層が設けられ、前記第２の電極ユニット２０の一端又は両端には、１つ以上の第２の電極連結部２１が設けられ、前記第１の電極ユニットの下側に密着配置され、前記第１の電極ユニット１０上に積層され、前記貫通孔１２と前記第１の電極部１３に対応する電極連結孔３３が形成される電気非伝導性を有する絶縁体３０が設けられるが、前記ＬＥＤチップは、前記絶縁体３０上に実装され、前記電極連結孔３３を通じて第１の電極部１３により第１の電極ユニット１０に連結され、前記貫通孔１２を通じて第２の電極ユニット２０に連結されることができる。
なお、前記第１の電極連結部、第１の電極部及び少なくとも前記第２の電極ユニットにおいて前記貫通孔に対応する部分には、電気伝導性を向上させるためのメッキ層が形成されることが好ましい。
前記絶縁体において、前記ＬＥＤチップが装着される部分は、半球状に窪んだ凹状であり、この窪んだ凹状の中央部分には電極連結孔が形成され、前記第２の電極ユニットには、前記ＬＥＤチップの装着高さを増大して光出力を向上させるため、前記貫通孔に向けて突出する第２の電極部が形成されることができる。
このとき、前記第２の電極部は、前記第２の電極ユニットの後面への圧力印加により突出し、その突出した高さは、前記第２の電極ユニットの厚さの２／３以下であることが好ましい。
また、前記第２の電極部の上面には、前記ＬＥＤチップと第２の電極ユニットとの間の電気伝導性を向上させるためにメッキ層がさらに形成されることができる。
前記第１の電極は、負の電極であり、前記第２の電極は、正の電極であることが好ましい。
また、前記第１の電極ユニット又は前記第２の電極ユニットにおいて、前記ＬＥＤチップからの熱伝達が多い電極ユニットの断面積を、他の電極ユニットの断面積に比べて大きく形成することが好ましい。
前記第１の電極連結部は、隣接したＬＥＤ光源構造体の第２の電極連結部と連結され、前記第２の電極連結部は、他の隣接したＬＥＤ光源構造体の第１の電極連結部と連結されることで、ある１つのＬＥＤ光源構造体が１つ以上の隣接したＬＥＤ光源構造体と連結できるように、前記第１の電極連結部は、前記第１の電極ユニットの一端にのみ設けられ、前記第２の電極連結部は、前記第１の電極ユニットの他端に対応する前記第２の電極ユニットの他端にのみ設けられることもできる。
前記第２の電極ユニット２０は、ヒートシンク形状を有するように構成され、前記ＬＥＤチップ４０で発生する熱がヒートシンク形状を有する第２の電極ユニット２０を通じて放出されるように構成することができる。
前記第１の電極ユニットの高さが、ヒートシンクが形成された第２の電極ユニットの上部高さと水平となるように、前記第２の電極ユニットの上部には前記第１の電極ユニットと絶縁体が取り付けられる溝状部が設けられることができる。
このとき、前記第１の電極ユニットの上部と、前記第２の電極ユニットの上部には、多数の正端子及び負端子が設けられ、多数のＬＥＤチップの正電極及び負電極が連設されることができる。
または、電気伝導性及び熱伝導性を有する金属製のヒートシンク６０が構成され、前記ヒートシンク６０の上部は、透明材質の絶縁物質６６でコーティングされ、前記ヒートシンク６０上に第２の電極ユニット２０が取り付けられ、第１の電極ユニット１０が第２の電極ユニット２０及びヒートシンク６０と絶縁されるように第２の電極ユニット２０上に取り付けられ、前記ＬＥＤチップ４０で発生する熱が第２の電極ユニット２０と接するヒートシンク６０を通じて放出されるように構成することができる。
上部において、ヒートシンクの外側は、漏電を防止するために放熱機能及び絶縁機能を有する絶縁物質でコーティングされることができる。
前記ヒートシンクは、電気伝導性及び熱伝導性を有する材質からなることが好ましい。
本発明に係る放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体によれば、ＬＥＤチップを実装する電極部分の断面積を最大化することで、電圧降下、及びＬＥＤチップで発生する熱を最短時間で放出することができるという効果がある。
より詳しくは、電極の断面積を最大化すると共に長さを減らして抵抗を最小化することで電極ユニットに流れる電子の流れを最大にすることができ、これにより、電子の流れが向上しながらＬＥＤチップの表面で発生する表面抵抗にも最大限に対応でき、電圧降下を極力最小化できるという長所がある。
また、本発明によれば、極大化した電極ユニットによって、抵抗が極小となった一次的な巨大熱伝達の通路及び電気流れの通路を確保することができると共に、電極、特にＬＥＤチップと広い面積で直接接触する正電極の断面積が大きくなって、速やかにＬＥＤチップと正電極との間の熱バランスがとれるようになる。従って、ＬＥＤ活性層の温度が急に上昇するという問題点を解決することができ、ＬＥＤチップの抵抗が安定しており電流が安定化されて、これによって、コンバータの設計時に、定電流による駆動が容易に実現できるという効果が得られる。
さらに、本発明によれば、ＬＥＤ光源構造体を個別に使用し、又は、複数個のＬＥＤ光源構造体を容易に連結して必要に応じて光量を可変することができるため、種々の形態及び光量を実現することができるというメリットがある。
また、電気伝導性の良い各電極ユニット上に一定の間隔をおいて多数のＬＥＤチップを取り付け、残部には絶縁コーティングを施して回路基板の形式として製作すると、複雑な種々の過程を経る必要がないため、低コストでかつコンパクトなマルチチャネルの光源を有する基板を製作することができ、回路基板上に一定の間隔をおいて小孔を形成して、使用者が要求する寸法及び模様となるように、前記孔に沿って回路基板をきちんと切り出し、切り出された回路基板に電源を連結して容易に使用することができる。
本発明の第１の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の構造を示す概念図である。 第１の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の構成を示す斜視図である。 第１の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の構成を示す分解斜視図である。 図２中のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。 図２中のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。 第１の実施例に係る複数個のＬＥＤ光源構造体を結合する状態を示す斜視図である。 本発明の第２の実施例に係るＬＥＤ光源構造体を示す断面図である。 本発明の第３の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の斜視図である。 本発明の第３の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の側面図である。 本発明の第３の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の分解斜視図である。 本発明の第３の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の側断面図である。 本発明の第３の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の平面図である。 本発明の第４の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の斜視図である。 本発明の第４の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の分解斜視図である。 本発明の第４の実施例に係るＬＥＤ光源構造体を示す側断面図である。
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
本発明は、ＬＥＤチップの点灯によって発生する熱を速やかに外部へ放出し得るようにするＬＥＤ光源構造体であって、電気伝導性を有する材質からなる第１の電極ユニット１０と、前記第１の電極ユニット１０の下側に位置して電気伝導性及び熱伝導性を有する材質からなり、第１の電極ユニット１０と電気的に絶縁される第２の電極ユニット２０と、前記第１の電極ユニット１０と前記第２の電極ユニット２０に連結されるＬＥＤチップ４０とから構成されるが、前記第１の電極ユニット１０及び前記第２の電極ユニット２０を前記ＬＥＤチップ４０の両電極として使用して、前記ＬＥＤチップ４０で発生する熱が前記第１の電極ユニット１０及び／又は第２の電極ユニット２０に直接伝達され、前記第１の電極ユニット１０及び／又は前記第２の電極ユニット２０を通じて大気中に放出されるようになる。
本実施例において、前記第１の電極ユニット１０及び第２の電極ユニット２０の材質としては、電気伝導性と熱伝導性を有する金属体で構成しているが、金属体の他、黒鉛、グラフェンのような電気伝導性と熱伝導性を有する材質で構成することもできる。
ＬＥＤチップ４０で発生する熱を、第１の電極ユニット１０又は第２の電極ユニット２０を通じて円滑に放出させるためには、第１の電極ユニット１０又は第２の電極ユニット２０とＬＥＤチップ４０のとの連結部の面積を極大にし、熱伝導抵抗及び電気伝導抵抗を極小にする必要がある。
具体的に、第１の電極ユニット１０又は第２の電極ユニット２０のうちから選択される１つのユニット、或いは、第１の電極ユニット１０と第２の電極ユニット２０の両方は、ＬＥＤチップ４０と点接触でなく面接触しているので、熱伝導抵抗及び電気伝導抵抗が最小となり、且つＬＥＤチップ４０で発生する熱は、第１の電極ユニット１０又は第２の電極ユニット２０を通じて、或いは、第１の電極ユニット１０及び第２の電極ユニット２０の両方を通じて排出されることができる。
上述の構成と原理に基づいて本発明を種々に変更して実施できるが、以下、代表的な４つの実施例を挙げて説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係る放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体の構造を示す概念図、図２は、第１の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の構成を示す斜視図、図３は、第１の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の構成を示す分解斜視図、図４は、図２中のＡ−Ａ’線に沿う断面図、図５は、図２中のＢ−Ｂ’線に沿う断面図、図６は、第１の実施例に係る複数個のＬＥＤ光源構造体を結合する状態を示す斜視図である。
図示したように、本発明に係るＬＥＤ光源構造体は、電気伝導性及び熱伝導性に優れた金属体からなる第１の電極ユニット１０及び第２の電極ユニット２０と、電気非伝導性の絶縁体３０と、ＬＥＤチップ４０とから構成される。
より詳しくは、第１の電極ユニット１０は、電気伝導性を有する材質で作られるもので、第１の電極による電流が導通するように一端又は両端には１つ以上の第１の電極連結部１１が設けられ、１つ以上の貫通孔１２が形成され、前記貫通孔１２に隣接して第１の電極部１３が上面に構成され、少なくとも下面において前記第１の電極連結部１１を除いた領域に絶縁層１４ａが設けられる。
そして、前記第１の電極連結部１１には、電源との連結端子又は隣接したＬＥＤ光源構造体の第１の電極連結部１１との電気伝導性を向上させるためのメッキ層１５ａが形成されることができる。
また、前記第１の電極部１３に、ＬＥＤチップ４０との電気伝導性を向上させるためのメッキ層１５ｂが形成されることもできる。なお、第１の電極ユニット１０の上面には前記メッキ層１５ｂが形成された第１の電極部１３を除いた領域に絶縁層１４ｂがさらに形成されることもできる。
さらに、前記第１の電極連結部１１は、前記第１の電極ユニット１０の両端に設けられることができるが、一端にのみ設けられることもできる。これは、第１の電極ユニット１０の他端に対応する第２の電極ユニット２０の他端には、第２の電極連結部２１を配置して、本発明に係る複数個のＬＥＤ光源構造体が互いに締結することで、電気的な連結関係を持たせるためである。
なお、第２の電極ユニット２０は、電気伝導性を有する材質で作られるもので、第２の電極による電流が導通するように一端又は両端には１つ以上の第２の電極連結部２１が備えられ、前記第１の電極ユニット１０の下側に密着配置される。
このとき、前記第２の電極ユニット２０が密着する第１の電極ユニット１０の下側には絶縁層１４ａが設けられ、第１の電極ユニット１０と第２の電極ユニット２０との間が絶縁されるため、第２の電極ユニット２０の上面には別の絶縁体を設ける必要がない。しかし、本実施例では、ＬＥＤ光源構造体の安定的な作動を確保するため、前記第２の電極ユニット２０上に絶縁層２２ａを形成し、第２の電極連結部２１と第１の電極ユニット１０の貫通孔１２に対応する部分には絶縁層２２ａを形成していない。そして、絶縁層２２ａが形成されていない部分には、電気伝導性を向上するためのメッキ層２３ａ、２３ｂを形成することができる。
また、第２の電極ユニット２０の下側に別の絶縁層を設ける必要はないが、本実施例のように絶縁層２２ｂをさらに形成しても構わない。
そして、前記第２の電極連結部２１は、前記第２の電極ユニット２０の両端に設けられることもできるが、一端にのみ設けられることもできる。これは、第１の電極ユニット１０の一端に第１の電極連結部１１が配置され、前記第１の電極ユニット１０の他端に対応する第２の電極ユニット２０の他端には、第２の電極連結部２１を配置して、本発明に係る複数個のＬＥＤ光源構造体が互いに締結できるようにするためである。
さらに、第１の電極ユニット１０と第２の電極ユニット２０には、絶縁体３０との結合のための結合孔１６、２４が形成される。
そして、前記第１の電極ユニット１０には、負の電極が連結され、第２の電極ユニット２０には正の電極が印加される。なお、実装されたＬＥＤチップ４０に電源が印加されると、正電極側にＬＥＤチップ４０の熱が多く発生するので、第２の電極ユニット２０の断面積は、熱伝達の通路をより増大させるため、第１の電極ユニット１０の断面積に比べて大きくすることが好ましい。
絶縁体３０は、電気非伝導性を有する材質、例えば、プラスチック材で作られ、前記第１の電極ユニット１０上に積層される。そして、前記絶縁体３０の下側には、順次に積層される第１の電極ユニット１０と第２の電極ユニット２０が絶縁体３０に結合できるように前記各電極ユニットに形成された結合孔１６，２４が挿入される結合突起（図示省略）が設けられる。
なお、前記絶縁体３０には、コスト節減のための１つ以上の切開孔３７を形成することもできる。
また、前記絶縁体３０には、前記貫通孔１２と前記第１の電極部１３に対応して貫通する電極連結孔３３が形成される。前記電極連結孔３３は、前記絶縁体３０に装着されるＬＥＤチップを第１の電極ユニット１０及び第２の電極ユニット２０と電気的に連結させるためのもので、絶縁体３０にはＬＥＤチップ４０から放射した光の光効率を増大させ、前面への光放出を誘導するため、半球状に窪んだ凸状の装着部３５が設けられ、その装着部３５の中央部分には、前記電極連結孔３３が形成される。
このとき、前記装着部３５は、窪んだ半球状をしているため、ＬＥＤチップ４０から放射される光を反射して前面に向かせることができるが、このような反射の効率を増大させるため、前記装着部３５に反射鏡を取り付けることができる。
なお、ＬＥＤチップ４０は、前記絶縁体３０上に実装され、前記電極連結孔３３を介して第１の電極部１３により第１の電極ユニット１０に連結され、前記貫通孔１２を介して第２の電極ユニット２０に連結される。このとき、前記ＬＥＤチップ４０は、前記第２の電極ユニット２０に密着され、前記ＬＥＤチップ４０の下側全体を通じて前記第２の電極ユニット２０と電気的に連結される。
また、前記ＬＥＤチップ４０の周辺に、前記装着部３５の全体を覆う投光性の封止材５０が設けられる。前記封止材５０は、エポキシ又はシリコン材質で形成され、ＬＥＤチップ４０を封止する役割に加え、前記ＬＥＤチップ４０からの光を、指向角を一次的に調節する一次レンズとしての役割を果たす。
次に、本発明に係る放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体の作用について説明する。
従来のＬＥＤチップの駆動回路は、種々の材質からなる熱伝達板の上に短絡防止のための絶縁体を構成し、その上に薄い銅箔を圧着させた後、印刷プリントを行い、銅箔を酸化させて回路のみを残す方法で印刷回路基板（ＰＣＢ）を製作している。
周知のように、電気は、ファラデーによって発見された電磁氣誘導により固体内の自由電子の移動をもって説明されている。また、半導体は、このような電子の移動を用いて人為的に電子の移動を最大化した特別の機構物で、それに相当する大きな電子移動回路が必要となる。
しかし、このような半導体の特性を考慮していない従来のＰＣＢ製作方法では、複数個のＬＥＤチップを直並列に連結すると、極めて小さな回路網の構成によって、極大となった電子移動量に耐えないため、回路の耐久性を阻害する電圧降下をもたらし、しかも、活性化されている半導体の特性から、増加する電流量によって、持続的な電圧降下がさらに発生し、半導体の寿命を減少させる結果をもたらした。
また、このような現象に伴い、ＬＥＤチップの駆動ドライバ（コンバータ）には、定電圧回路に定電流制御回路を付加して複雑なパワーシステムを構築しているが、このようなＬＥＤ特性に合わせて大容量の回路を構成させると、ＬＥＤのサイズに応じた静電容量を自然に構成させることができるため、定電圧だけでもＬＥＤの円滑な性能をを引き出して複雑な駆動パワーシステムをコンパクト化することができ、これにより、低コストのシステム設計及びＬＥＤ光源構造体を製作することが可能である。
このため、本実施例では、電気伝導性の良い第１の電極ユニット１０と第２の電極ユニット２０に互いに異なる極性の電極を連結させ、各電極ユニット１０、２０において直接半導体がボンディングされるべき部分にメッキ層１５ｂ、２３ｂをコーティングして回路を構成させ、残部には絶縁コーティングを施す。このような方式で回路基板を製作すると、回路基板の製作において複雑な種々の過程を行う必要がないため、低コストで且つコンパクト化が可能である。
また、互いに異なる極性を有する第１の電極ユニット１０と第２の電極ユニット２０とを重ねた後、ＬＥＤチップ４０をボンディングして使用し、可及的に上端に積層される第１の電極ユニット１０に負電極を印加して貫通孔１２を形成し、その貫通孔１２から第２の電極ユニットを覗けるように組み立てると共に、ＬＥＤチップ４０の熱が多く発生する極性の側をより厚肉にして製作することにより、熱の分散及び熱による種々の障害要因をなくすことができる。
電源の印加による作用について詳述すると、本実施例に係るＬＥＤ光源構造体において第２の電極ユニット２０へ供給される正電源は、ＬＥＤチップ４０の正電極に供給され、ＬＥＤチップ４０を通じて負電極に移動し、第１の電極ユニット１０に伝達され、これにより、ＬＥＤチップ４０が発光して点灯されるようになる。
前記ＬＥＤチップ４０の点灯によってＬＥＤチップ４０では熱が発生するが、この熱は、一般に光子が発生する正電極で集中的に発生する。本実施例では、ＬＥＤチップ４０の正電極が、金属体であってヒートシンクの役割を果たす第２の電極ユニット２０と絶縁体を介することなく直接電気的に連結されているため、ＬＥＤチップ４０の正電極で発生する多量の熱が直接第２の電極ユニット２０へ移動して放熱され、熱が瞬時に消去されるようになる。
従って、ＬＥＤチップ４０の点灯によって発生する熱を、第２の電極ユニット２０を通じて速やかに且つ効率的に放熱させ、ＬＥＤ光源の安定化を図ることができ、このような第２の電極ユニット２０がＬＥＤチップ４０の正電極として働くため、ＬＥＤチップの正電極で発光する時に発生する正孔が留まる空間が十分に確保でき、高光力のＬＥＤ光源を実現することができる。
また、本実施例では、ＬＥＤ光源構造体の一端に第１の電極ユニット１０の第１の電極連結部１１が配置され、他端には第２の電極ユニット２０の第２の電極連結部２１が配置される。このとき、第１の電極ユニット１０と第２の電極ユニット２０とは、順次に積層された状態であるため、第１の電極連結部１１の位置は、第２の電極連結部２１より相対的に高い。従って、前記第１の電極連結部１１に隣接したＬＥＤ光源構造体の第２の電極連結部２１が連結される時、相互間に位置干渉することなく重ねて連結されることができる。
これは、ＬＥＤ光源構造体を個別に使用し、又は、複数個のＬＥＤ光源構造体を容易に連結して必要に応じて光量を可変することができるため、種々の形態及び光量を実現することができる。
さらに、本実施例では、第１の電極ユニット１０と第２の電極ユニット２０が比較的薄い板材状となっており、第２の電極ユニット２０がヒートシンクの役割を果たしているため、ＬＥＤチップ４０の効率を最大化すると共に軽量の放熱設計を行うことができる。また、本実施例では、放熱機構を省略しているので、体積増大が発生せず、却って体積減少が可能となるため、さらに構造を変更することなく既存の光構造物に適用することができ、光源設置のための空間を減少させることができる。
次に、本発明に係る放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体の第２の実施例について説明する。なお、本実施例では、第１の実施例に対応する構成要素については、同じ図面番号を付した。
図７は、本発明の第２の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の断面図であって、ＬＥＤ光源構造体を図２中のＡ−Ａ’線に沿って切断した面の変形形態を示す。
図示したように、本実施例では、第２の電極ユニット２０において前記ＬＥＤチップ４０の装着高さを増大して光出力を向上させるため、前記貫通孔１２に向けて突出する第２の電極部２６が設けられている。なお、前記第２の電極部２６は、突起付き板材を第２の電極ユニット２０として使用して前記突起を設けることもできるが、本実施例では、前記第２の電極ユニット２０の後面に圧力を加えて突出させるような方式を採用している。
この場合、第２の電極部２６が第２の電極ユニット２０の上面から突出する高さは、前記第２の電極ユニット２０の厚さの２／３以下であることが好ましい。これは、突出した第２の電極部２６に突然の衝撃が加わった時に前記第２の電極部２６が第２の電極ユニット２０から分離されるのを防止するためである。
そして、前記第２の電極部２６は、前記第１の電極ユニット１０の貫通孔１２の直径に比べて小径となることが好ましい。これは、前記貫通孔１２に隣接して配置される第１の電極部１３に対して第２の電極部２６を隔てて配置するためである。
また、前記第２の電極部２６の上面には、前記ＬＥＤチップ４０と前記第２の電極ユニット２０との間の電気伝導性を向上させるためにメッキ層２３ｃをさらに形成することができる。
このように構成された第２の電極部２６の上面にＬＥＤチップ４０を実装すると、ＬＥＤチップ４０の実装高さが高くなり、これによって、光出力面が高くなって第１の電極ユニット１０の半球状の装着部３５に光が吸収され、光出力が低下する現象を防止することが可能となる。
換言すれば、本実施例では、ＬＥＤチップ４０の位置を高くする構造を採用することにより、ＬＥＤチップ４０から発生した光の出力が低下するのを防止でき、光損失防止による光出力向上及び省エネルギーを実現することができる。
図８は、本発明の第３の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の斜視図、図９は、本発明の第３の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の側面図、図１０は、本発明の第３の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の分解斜視図、図１１は、本発明の第３の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の側断面図、図１２は、本発明の第３の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の平面図である。
図８乃至図１２に示されるように、本発明に係る放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体の第３の実施例では、電気伝導性及び熱伝導性に優れた金属体である第２の電極ユニット２０がヒートシンク６０の形状を有するように形成されるが、前記ＬＥＤチップ４０の正電極４１がヒートシンク形状を有する第２の電極ユニット２０に連結され、負電極４２は、第２の電極ユニットと２０の絶縁状態を維持しながら第２の電極ユニット２０上に取り付けられる第１の電極ユニット１０に連結される。前記第２の電極ユニット２０に供給される正電流は、ＬＥＤチップ４０の正電極４１に供給され、ＬＥＤチップ４０内を経て第１の電極ユニット１０へ流れ、ＬＥＤチップ４０が発光して点灯されるが、このとき、ＬＥＤチップ４０の発光で発生する熱は、ヒートシンクが設けられている第２の電極ユニット２０を通じて直接放出されるようになる。
即ち、本発明の第３の実施例に係るＬＥＤ光源構造体は、電気伝導性及び熱伝導性に優れた銅やアルミニウムなどの金属を加工してヒートシンク形状に第２の電極ユニット２０を製作した後、このヒートシンク形状の第２の電極ユニット２０を直接ＬＥＤチップ４０の正電極４１として使用するようになる。なお、前記ＬＥＤチップ４０の第１の電極ユニット１０がヒートシンク形状の第２の電極ユニット２０と絶縁状態で結合されることで、第２の電極ユニット２０と短絡することがない。前記ＬＥＤチップ４０の正電極４１では、光子の発生及び熱の大量発生が生じるが、電気伝導性及び熱伝導性に優れた第２の電極ユニット２０がＬＥＤチップの正電極４１を形成しているため、ＬＥＤチップ４０の発光で発生する熱が速やかに放出されることができる。
前記第２の電極ユニット２０は、円柱形状を有し、この第２の電極ユニット２０の外周面には多数の放熱溝２０ａが形成され、上部に結合されるＬＥＤチップ４０で発生する熱をより効率よく放出することができる。
前記第２の電極ユニット２０の上部には、第１の電極ユニット１０が第２の電極ユニット２０と絶縁状態で結合されるための溝状部２９が形成されているが、この溝状部２９は、第２の電極ユニット２０上部の一端から始まり、内側へ分岐して一部が斷絶された円形状をなしている。前記溝状部２９上には、第１の電極ユニット１０と第２の電極ユニット２０との絶縁のための絶縁体３０が設けられ、この絶縁体３０上には第１の電極ユニット１０が取り付けられる。前記第１の電極ユニット１０は、金属体の第２の電極ユニット２０と電気的に分離できるように側面が第２の電極ユニット２０から離隔されるが、このとき、第１の電極ユニット１０の高さは、第２の電極ユニット２０上部の高さと水平となり、ＬＥＤチップ４０の安定的な取り付けを行うことができる。
なお、前記第２の電極ユニット２０上には多数のＬＥＤチップ４０を取り付けることができるが、多数のＬＥＤトップ４０を取り付けるために第２の電極ユニット２０及び第１の電極ユニット１０には、ＬＥＤチップ４０の正電極の位置と負電極の位置とがペアとしてそれぞれ表示されることができる。本発明の実施例では、第２の電極ユニット２０と第１の電極ユニット１０の上に電気伝導率に優れた金で形成された正端子２８及び負端子１８を表示することにより、ＬＥＤチップ４０の正電極４１及び負電極４２に容易に結合されて実装されるようにした。また、正端子２８が表示された第２の電極ユニット２０の一端には、外部から正電源を供給される正電源入力端子２７が設けられ、第１の電極ユニット１０の一端には、外部の負電源と連結される負電源入力端子１７が設けられる。なお、前記絶縁体３０及び第１の電極ユニット１０は、一体に製作されて第２の電極ユニット２０に形成された溝状部２９に嵌め込み結合されることができるが、前記絶縁体３０及び第１の電極ユニット１０が第２の電極ユニット２０の溝状部２９に嵌め込まれると、前記第２の電極ユニット上には固定部材６２が嵌め込み結合され、絶縁体３０及び第１の電極ユニット１０が固定されるようになる。
前記第２の電極ユニット２０にＬＥＤチップ４０の正電極４１が結合され、第１の電極ユニット１０にＬＥＤチップ４０の負電極４２が結合されると、この第２の電極ユニット２０上を光が透過し得るシリコンなどのような透明材質の絶縁物質６６でコーティングを施すことで、安定的に固定される。
このとき、ヒートシンク形状の第２の電極ユニット２０の外周面には、漏電を防止するため、絶縁物質６５のコーティングが施されるが、本発明の実施例において、第２の電極ユニット２０の外周面は、絶縁機能を有しながら放熱機能と耐久性に優れたセラミックでコーティングされる。
なお、上述の実施例では、第２の電極ユニット２０をヒートシンク形状として説明しているが、第２の電極ユニット２０をヒートシンク形状のものとするのではなく、別のヒートシンクを備えて第２の電極ユニットと接するように構成することもできる。
図１３は、本発明の第４の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の斜視図、図１４は、本発明の第４の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の分解斜視図、図１５は、本発明の第４の実施例に係るＬＥＤ光源構造体の側断面図を示すものである。
図１３乃至図１５に示されるように、本発明の第４の実施例において、ヒートシンク６０が独立して形成されており、ヒートシンク６０上には第２の電極ユニット２０と第１の電極ユニット１０と、絶縁体３０と、ＬＥＤチップ４０とが実装される。
このため、前記ヒートシンク６０上に取り付けられる第２の電極ユニット２０に第１の電極ユニットを取り付けるための溝状部２９が設けられ、この溝状部２９上に絶縁体３０及び第１の電極ユニット１０が取り付けられることで、ＬＥＤチップ４０の負電極４２を連結するようになる。
前記ヒートシンク６０と第２の電極ユニット２０とを別体にしているが、これは、ヒートシンク６０が強度の高いアルミニウムなどで製作される場合、強度の高いアルミニウム上に溝状部を形成するのに難があり、アルミニウム上に正電源入力端子及び正端子を形成することが困難であるためである。従って、アルミニウムの代わりに強度の低い金属体又は黒鉛やグラフェンのような電気伝導性及び熱伝導性を有する材質を用いてヒートシンク６０を構成することができる。
好ましくは、銅からなる第２の電極ユニット２０をヒートシンク６０上に結合し、強度の低い第２の電極ユニット２０の上部を加工して溝状部２９を形成し、正電源入力端子２７及び正端子２８を形成することにより、製作工程が容易に行えるようにする。前記第２の電極ユニット２０は、ヒートシンク６０上にボンディング、半田付け、螺合などを通じて電気的に連結されるように結合される。
上述の本発明に係る放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体は、他の放熱装置と結合して使用されることにより、その放熱特性をさらに向上させることができる。即ち、本発明に係るヒートシンク６０の外側に水冷式又は空冷式などの種々の補助放熱装置を結合して使用する場合は、ＬＥＤ光源の放熱が二重に行われ、放熱効果がさらに向上する。このようなヒートシンク６０の外側に補助放熱装置が設けられている場合、ヒートシンク６０は、補助放熱装置との結合のために、補助放熱装置の種類及び形態に応じて、その形状を適宜変更することができる。即ち、前記ヒートシンク６０は、補助放熱装置との結合のために、その胴体を四角柱形状や五角柱形状などの種々の形態に製作することができ、また、ヒートシンク６０の外周面に形成された放熱溝６１は、横、縦、対角線、格子などの種々の形状に変更することができる。なお、このようなヒートシンク６０の形態は、ＬＥＤ光源構造体の用途や種類に応じて変化できることは言うまでもない。
なお、本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術思想と添付の特許請求の範囲の均等な範囲内で種々修正及び変更して実施できることは言うまでもない。

Claims (8)

  1. ＬＥＤチップを実装し、ＬＥＤチップの点灯によって発生する熱を外部へ放出し得るようにするＬＥＤ光源構造体であって、
    電気伝導性を有する金属体からなる第１の電極ユニット１０と、
    前記第１の電極ユニット１０の下側に密着配置されて、電気伝導性及び熱伝導性を有する材質からなり、前記第１の電極ユニット１０と電気的に絶縁される第２の電極ユニット２０と、前記第１の電極ユニット１０と前記第２の電極ユニット２０を両電極として使用するように設けられるＬＥＤチップ４０とを備え、
    前記第１の電極ユニット１０は、一端又は両端に１つ以上の第１の電極連結部１１が設けられるとともに、１つ以上の貫通孔１２が設けられ、貫通孔１２に隣接して第１の電極部１３が上面に構成され、
    前記第２の電極ユニット２０は、一端又は両端に１つ以上の第２の電極連結部２１が設けられ、
    一方、前記第１の電極ユニット１０上に積層され、貫通孔１２と第１の電極部１３に対応する電極連結孔３３が形成される電気非伝導性を有する絶縁体３０が設けられており、
    前記ＬＥＤチップ４０は、絶縁体３０上に実装され、電極連結孔３３を通じて第１の電極部１３により第１の電極ユニット１０に連結され、貫通孔１２を通じて第２の電極ユニット２０に連結され、第１の電極ユニット１０及び第２の電極ユニット２０は、ＬＥＤチップ４０と面接触して、ＬＥＤチップ４０で発生する熱を直接伝導して大気中に放出することを特徴とする放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体。
  2. 前記第１の電極連結部１１、第１の電極部１３及び少なくとも第２の電極ユニット２０において貫通孔１２に対応する部分には、電気伝導性を向上させるためのメッキ層が形成されることを特徴とする請求項１に記載の放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体。
  3. 前記絶縁体３０において、ＬＥＤチップ４０が装着される部分は、半球状に窪んだ凹状であり、この窪んだ凹状の中央部分には電極連結孔３３が形成され、
    前記第２の電極ユニット２０には、ＬＥＤチップ４０の装着高さを増大して光出力を向上させるため、貫通孔１２に向けて突出する第２の電極部２６が形成されることを特徴とする請求項１に記載の放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体。
  4. 前記第２の電極部２６は、第２の電極ユニット２０の後面への圧力印加により突出し、その突出した高さは、第２の電極ユニット２０の厚さの２／３以下であることを特徴とする請求項３に記載の放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体。
  5. 前記第２の電極部２６の上面には、ＬＥＤチップ４０と第２の電極ユニット２０との間の電気伝導性を向上させるためにメッキ層がさらに形成されることを特徴とする請求項３に記載の放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体。
  6. 前記第１の電極ユニット１０は、負の電極であり、第２の電極ユニット２０は、正の電極であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体。
  7. 前記第１の電極ユニット１０又は第２の電極ユニット２０において、ＬＥＤチップ４０からの熱伝達が多い電極ユニットの断面積を、他の電極ユニットの断面積に比べて大きく形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体。
  8. 前記第１の電極連結部１１は、隣接したＬＥＤ光源構造体の第２の電極連結部２１と連結され、第２の電極連結部２１は、他の隣接したＬＥＤ光源構造体の第１の電極連結部１１と連結されることで、ある１つのＬＥＤ光源構造体が１つ以上の隣接したＬＥＤ光源構造体と連結できるように、第１の電極連結部１１は、第１の電極ユニット１０の一端にのみ設けられ、第２の連結部２１は、第１の電極ユニット１０の他端に対応する第２の電極ユニット２０の他端にのみ設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放熱特性が向上した高光力ＬＥＤ光源構造体。
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